第七章焊接及其热影响区的组织和性能2011

1、1连接成形理论基础连接成形理论基础24学时学时刘顺洪刘顺洪电话：电话：87543677-mail: 2v 焊缝及其热影响区组织和性能焊缝及其热影响区组织和性能v 焊接过程的冶金反应原理焊接过程的冶金反应原理v 焊接缺欠的产生机理及防止措施焊接缺欠的产生机理及防止措施教学内容教学内容3主要参考书目主要参考书目1、张文钺，焊接冶金学（基本原理）、张文钺，焊接冶金学（基本原理）. . 机械工业机械工业出版社，出版社，19962、陈伯蠡，焊接冶金原理、陈伯蠡，焊接冶金原理. . 清华大学出版社，清华大学出版社，19913、陈伯蠡，焊接工程缺欠分析与对策、陈伯蠡，焊接工程缺欠分

2、析与对策. . 机械工业机械工业出版社，出版社，19984、专业期刊杂志、专业期刊杂志焊接学报；焊接；电焊机等焊接学报；焊接；电焊机等; welding; Science and Technology of Welding and Joining etc; ; 4第七章第七章 焊缝及其热影响区的组织和性能焊缝及其热影响区的组织和性能焊接及其冶金特点焊接及其冶金特点焊缝金属的组织与性能焊缝金属的组织与性能焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能5焊接焊接熔焊焊接接头的形成及其冶金过程熔焊焊接接头的形成及其冶金过程焊接温度场焊接温度场第一节第一节 焊接及其冶金特点焊接及其冶金特点6一、一、

3、焊接焊接 （Welding / Joining ） 定义：定义：被焊工件的材质（同被焊工件的材质（同种或异种），通过种或异种），通过加热或加加热或加压或二者并用压或二者并用，并且用或不，并且用或不用填充材料，使工件的材质用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。久性连接的工艺过程。 （一）焊接及其物理本质（一）焊接及其物理本质7从理论上讲，当两个被连接的固体材料表面接近从理论上讲，当两个被连接的固体材料表面接近到一定程度（到一定程度（0.30.5nm) )，就可以在接触表面，就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程，形成金属上进行扩散、

4、再结晶等物理化学过程，形成金属键，达到连接的目的。键，达到连接的目的。为使金属表面紧密接触：为使金属表面紧密接触： 1.1.加压加压：破坏氧化膜，增加接触面积。：破坏氧化膜，增加接触面积。( (冷冷焊焊) ) 2. 2.加热加热：使结合处达到塑性或熔化状态，接：使结合处达到塑性或熔化状态，接触表面的氧化膜迅速破坏，降低变形阻力，促进触表面的氧化膜迅速破坏，降低变形阻力，促进扩散，扩散， 结晶形成冶金结合。结晶形成冶金结合。 3.3.同时加热加压同时加热加压。8实现焊接的基本条件实现焊接的基本条件: :外界提供相应的能量外界提供相应的能量加热加热加压加压既加热又加压既加热又加压纯铁焊接时所需的温

5、度及压力纯铁焊接时所需的温度及压力熔焊区电阻焊区高压高压焊接区焊接区不能不能焊接区焊接区9（二）、焊接方法的分类（二）、焊接方法的分类 （1）熔焊熔焊 (fusion welding) 将焊接接头局部加热至熔化状态，不加压力将焊接接头局部加热至熔化状态，不加压力而完成焊接的方法。而完成焊接的方法。 （2）压焊压焊 (pressure welding) 必须对焊件施加压力而完成焊接的方法。必须对焊件施加压力而完成焊接的方法。 （3）钎焊钎焊 (brazing, soldering) 采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材

6、熔点的温度，和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。互扩散实现连接焊件的方法。10螺栓焊螺栓焊手弧焊手弧焊埋弧焊埋弧焊氩弧焊氩弧焊CO2焊焊电弧焊电弧焊熔化极熔化极不熔化极不熔化极钨极氩弧焊钨极氩弧焊原子氢焊原子氢焊等离子弧焊等离子弧焊气焊气焊氧氢氧氢氧乙炔氧乙炔空气乙炔空气乙炔铝热焊铝热焊电渣焊电渣焊电子束焊电子束焊激光束焊激光束焊电阻点、缝焊电阻点、缝焊电阻对焊电阻对焊冷压焊冷压焊超声波焊超声波焊锻焊锻焊爆炸焊爆炸焊扩散焊扩散焊摩擦焊摩擦焊压力焊压力焊钎焊钎焊熔化焊熔化焊

7、基基本本焊焊接接方方法法火焰钎焊火焰钎焊感应钎焊感应钎焊炉钎焊炉钎焊盐浴钎焊盐浴钎焊电子束钎焊电子束钎焊焊接方法有焊接方法有100种之多种之多11熔焊与钎焊的组织区别熔焊与钎焊的组织区别12 焊接热源的种类、特点及示例焊接热源的种类、特点及示例 电弧热：利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为电弧热：利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为热源（手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊等）热源（手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊等） 化学热：利用可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热剂与氧化学热：利用可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热剂与氧或氧化物发生强烈反应时所产生的热能作为热源（气焊、热或氧化物发生强烈反应

8、时所产生的热能作为热源（气焊、热剂焊）剂焊） 电阻热：利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为电阻热：利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为焊接热源（电阻焊和电渣焊）焊接热源（电阻焊和电渣焊） 摩擦热：由机械高速摩擦所产生的热能作为热源（摩擦焊、摩擦热：由机械高速摩擦所产生的热能作为热源（摩擦焊、搅拌摩擦焊）搅拌摩擦焊） 电子束：在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金属电子束：在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金属局部表面，使动能转换为热能（电子束焊）局部表面，使动能转换为热能（电子束焊） 激光束：利用受激辐射而增强的光，经聚焦产生能量高度集激光束：利用受激辐射而增强的光，

9、经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割）中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割）13焊接热源的特点焊接热源的特点热热 源源最小加热面积最小加热面积cm2最大功率密度最大功率密度W.cm-2温度温度K乙炔火焰乙炔火焰10-22 10334003500 金属极电弧金属极电弧10-31046000钨极氩弧焊（钨极氩弧焊（TIG）10-31.5 1048000埋弧焊埋弧焊10-32 1046400电渣焊电渣焊10-21042300熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊(MIG)10-4104105CO2气体保护焊气体保护焊10-4104 105等离子焰等离子焰10-51.5 10518000 2

10、4000电子束电子束10-7107 109激光束激光束10-8107 10916焊接热源及焊接方法实例一焊接热源及焊接方法实例一Arc Welding(电弧焊电弧焊)电弧（电弧（ArcArc）17手工焊条电弧焊（手工焊条电弧焊（SMAWSMAW）焊条焊条焊芯焊芯保护气氛保护气氛电弧电弧熔池熔池焊渣焊渣SMAW：Shielded Metal Arc WeldingAlso know as : Manual Metal Arc Welding, Stick Welding 电弧电弧基体金属基体金属焊缝焊缝18Submerged Arc Welding (埋弧焊埋弧焊, SAW)19Metal In

11、ert Gas Welding（熔化极惰性气（熔化极惰性气体保护焊，体保护焊，MIG焊）焊）20Tungsten Inert Gas Welding（钨极氩弧焊，（钨极氩弧焊，TIG焊）焊）21焊接热源及焊接方法示例二焊接热源及焊接方法示例二化学反应热化学反应热氧乙炔焊氧乙炔焊22焊接热源及焊接方法示例二焊接热源及焊接方法示例二化学反应热化学反应热铝热剂焊铝热剂焊Thermit23焊接热源及焊接方法示例三焊接热源及焊接方法示例三电阻热电阻热电阻焊电阻焊24焊接热源及焊接方法示例四焊接热源及焊接方法示例四钎焊钎焊软钎焊软钎焊soldering 450 soldering 450 brazing

12、450 硬钎料银基、铜基、硬钎料银基、铜基、镍基等合金镍基等合金25二、熔焊焊接接头的形成及其冶金过程二、熔焊焊接接头的形成及其冶金过程熔焊焊接接头的形成过熔焊焊接接头的形成过程：程：加热、熔化、冶金加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态反应、凝固结晶、固态相变直至形成焊接接头。相变直至形成焊接接头。 焊接热过程焊接热过程 焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程 焊接物理冶金过程焊接物理冶金过程26（一）焊接热过程（一）焊接热过程u 熔焊时，被焊金属及焊接材料在热源作用下熔焊时，被焊金属及焊接材料在热源作用下局部局部受热受热并并熔化熔化，热源移走后焊接熔池冷却，热源移走后焊接熔池冷却凝凝固固，焊缝及热

13、影响区金属发生，焊缝及热影响区金属发生固态相变固态相变，直至，直至冷却至室温的过程。冷却至室温的过程。u 特点：特点：快；短；小；动。快；短；小；动。整个焊接过程自始整个焊接过程自始至终都是在焊接热作用过程中发生和发展的。至终都是在焊接热作用过程中发生和发展的。u 影响：与影响：与冶金反应冶金反应、凝固结晶凝固结晶、固态相变固态相变、焊接温度场和应力变形焊接温度场和应力变形密切相关，是影响焊接密切相关，是影响焊接接头质量和生产率的重要因素之一。接头质量和生产率的重要因素之一。27（二）焊接化学冶金过程（二）焊接化学冶金过程 熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间发生一系列化熔焊时，液态金属、熔渣及气

14、相之间发生一系列化学冶金反应，如金属的学冶金反应，如金属的氧化、还原、脱硫、脱磷、氧化、还原、脱硫、脱磷、合金化合金化等。等。 影响：直接影响焊缝金属的成分、组织和性能，因影响：直接影响焊缝金属的成分、组织和性能，因此控制焊接化学冶金过程是提高焊接质量重要途径此控制焊接化学冶金过程是提高焊接质量重要途径之一。之一。1 1）微合金化；细化晶粒；变质处理；）微合金化；细化晶粒；变质处理；2 2）降低焊缝）降低焊缝C C含量，最大限度排除杂质；含量，最大限度排除杂质；3 3）焊缝化学成分和力学性能计算机模拟和优化设计。焊缝化学成分和力学性能计算机模拟和优化设计。28（三）焊接物理冶金过程（三）焊接物

15、理冶金过程 焊接时的金属凝固结晶和相变过程，包括焊缝焊接时的金属凝固结晶和相变过程，包括焊缝金属的凝固结晶、固态相变以及热影响区的组金属的凝固结晶、固态相变以及热影响区的组织转变。织转变。29焊接接头的组成（分区）焊接接头的组成（分区） 焊缝（焊缝（Weld Metal, WM） 熔合区（熔合区（Fusion Zone, FZ） 热影响区（热影响区（Heat-affected Zone, HAZ） 母材（母材（Base Metal, BM）30物理冶金过程对焊接质量的影响物理冶金过程对焊接质量的影响 焊缝金属的凝固结晶和固态相变：与偏析、夹杂、气焊缝金属的凝固结晶和固态相变：与偏析、夹杂、气孔

16、、热裂纹、冷裂纹、脆化等缺陷相关。孔、热裂纹、冷裂纹、脆化等缺陷相关。 热影响区：与脆性、组织转变、裂纹等相关。热影响区：与脆性、组织转变、裂纹等相关。 如何保证焊接接头的性能：如何保证焊接接头的性能：1 1）根据母材，选择或设计合适的焊接材料；）根据母材，选择或设计合适的焊接材料；2 2）控制焊接热过程，使焊缝金属达到成分和组织要求，）控制焊接热过程，使焊缝金属达到成分和组织要求，保证焊缝力学性能；保证焊缝力学性能；3 3）控制）控制HAZHAZ的组织转变，保证的组织转变，保证HAZHAZ的力学性能。的力学性能。31三、焊接温度场三、焊接温度场熔焊时焊接传热的基本形式：熔焊时焊接传热的基本形

17、式： 热能由热源传给焊件：辐射和对流为主；热能由热源传给焊件：辐射和对流为主； 热能在母材和焊接材料中的传播：热传导为热能在母材和焊接材料中的传播：热传导为主。主。焊接传热过程的研究内容：主要是焊件上的温焊接传热过程的研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化问题。度分布及其随时间的温度变化问题。因此，研究焊接温度场时主要考虑热传导，适因此，研究焊接温度场时主要考虑热传导，适当考虑辐射和对流。当考虑辐射和对流。32（一）焊接温度场的一般特征（一）焊接温度场的一般特征焊接温度场的定义：焊件上（包括内部）某瞬时焊接温度场的定义：焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布。的温度分布。 T=f(x

18、, y, z, t) 式中式中 T-焊件上某点某瞬时的温度焊件上某点某瞬时的温度; x,y,z-焊件某点的空间坐标焊件某点的空间坐标; t-时间时间.可以用等温线或等温面表可以用等温线或等温面表示，如右图所示。示，如右图所示。33 稳定温度场稳定温度场 非稳定温度场非稳定温度场 准稳定温度场准稳定温度场 正常焊接条件下，焊接热源是以一定速度沿焊正常焊接条件下，焊接热源是以一定速度沿焊缝移动的，在加热开始时，温度升高的范围会逐步缝移动的，在加热开始时，温度升高的范围会逐步扩大，而达到一定极限后，不再变化，只是随热源扩大，而达到一定极限后，不再变化，只是随热源移动。这种状态称为移动。这种状态称为准

19、稳态准稳态。 功率不变的焊接热源，在厚大焊件、薄板或细功率不变的焊接热源，在厚大焊件、薄板或细棒上作匀速直线运动时，温度场是准稳态温度场。棒上作匀速直线运动时，温度场是准稳态温度场。 34根据焊件的尺寸和热源的性质，焊接传热可分为：根据焊件的尺寸和热源的性质，焊接传热可分为：1）三维传热（空间传热）：厚大焊件表面堆焊，点状热源；）三维传热（空间传热）：厚大焊件表面堆焊，点状热源；2）二维传热（平面传热）：一次焊透的薄板，线状热源；）二维传热（平面传热）：一次焊透的薄板，线状热源；3）一维传热（线性传热）：细棒的电阻焊对，面热源。）一维传热（线性传热）：细棒的电阻焊对，面热源。（二）焊接温度场的

20、表达式（二）焊接温度场的表达式35（1 1）厚板）厚板aRxvRqTT2)(exp20q-有效热功率有效热功率; -热导率热导率;a-热扩散率热扩散率;V-焊接速度焊接速度;222zyxR36（2 2）薄板）薄板;)2()2()2exp(222000yxrBesscelavrKhavrKavxhqTT函数；板厚；37（三）影响温度场的因素（三）影响温度场的因素焊接工艺参数的影响焊接工艺参数的影响（a）焊接速度）焊接速度V（b）热源的有效功率）热源的有效功率q（c）q与与V同时变化同时变化382. 金属热物理性质的影响金属热物理性质的影响-导热系数导热系数J/(cm*s*) -热扩散系数，热扩散

21、系数，cm2/s，=/(c*)c-比热容比热容 J/(g*)-密度密度 g/cm340第二节第二节 焊缝金属的组织与性能焊缝金属的组织与性能一、焊接熔池的结晶一、焊接熔池的结晶（一）熔池的特征（一）熔池的特征 1. 熔池的体积小熔池的体积小 ，冷却速度大，冷却速度大熔池的形状与尺寸熔池的形状与尺寸 （30cm3 ，100g）冷却速度大冷却速度大平均平均4100 /s，约为铸造的，约为铸造的104倍。（钢锭的平均冷却速度约为倍。（钢锭的平均冷却速度约为315010-4 /s ）412. 熔池的温度高熔池的温度高 1770100 钢锭：钢锭：1550 熔池中的液态金属处于熔池中的液态金属处于过热过

22、热状态状态合金元素烧损合金元素烧损,非自发形核质点减少非自发形核质点减少;3. 熔池在运动状态下结晶熔池在运动状态下结晶结晶熔化前沿随热源同步运动结晶熔化前沿随热源同步运动液态金属受到液态金属受到力力的搅拌运动的搅拌运动熔池金属存在对流运动熔池金属存在对流运动凝固速度快凝固速度快42（二）熔池凝固的特点（二）熔池凝固的特点 与钢锭的结晶一样都经历形核和晶核长大的与钢锭的结晶一样都经历形核和晶核长大的过程。但由于非平衡凝固，焊缝组织具有独特的过程。但由于非平衡凝固，焊缝组织具有独特的特点。特点。43焊接熔池的凝固过程是焊接熔池的凝固过程是从熔池边界开始的，是从熔池边界开始的，是一种非均质形核，焊

23、缝一种非均质形核，焊缝金属呈柱状晶形式由半金属呈柱状晶形式由半熔化的母材晶粒向熔池熔化的母材晶粒向熔池生长而成，且与母材有生长而成，且与母材有相同取向。这种同轴生相同取向。这种同轴生长的结晶方式称为长的结晶方式称为外延外延结晶结晶或或联生结晶联生结晶。联生结晶示意图联生结晶示意图1. 1. 联生结晶（外延结晶）联生结晶（外延结晶）44：非自发晶核的浸润角 =0 , Ek=04coscos32316323rFkE46每一种晶体点阵都存在一个最优结每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向晶取向, , 对于立方点阵的金属（对于立方点阵的金属（Fe, Fe, Ni, Cu, AlNi, Cu, Al），最

24、优结晶取向为），最优结晶取向为。温度梯度大的方向，也是晶粒易于温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界垂直生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度的方向温度梯度G G最大。最大。当母材晶粒取向当母材晶粒取向与导热最快的与导热最快的方向一致时，即垂直熔池边界时，方向一致时，即垂直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大。晶粒生长最快而优先长大。2. 2. 择优成长择优成长47483. 3. 凝固线速度凝固线速度ds=dxcosR=vcos49 R= v cos 晶粒成长的平均线速度在晶粒成长的平均线速度在0v范围内变化范围内变化在熔池边界（在熔池边界（Y=OB） 90，R0在焊缝中

25、心（在焊缝中心（Y0） 0 ，Rv 有波动有波动;凝固速度快凝固速度快501. 1. 柱状晶柱状晶（三）焊缝金属凝固组织的形态（三）焊缝金属凝固组织的形态 焊缝金属凝固组织的形态具有柱状晶及多种焊缝金属凝固组织的形态具有柱状晶及多种亚结构，包括平面晶、胞状晶、胞状树枝晶、树亚结构，包括平面晶、胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶以及等轴晶。枝晶以及等轴晶。 纯金属的结晶形态纯金属的结晶形态 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之间的温度差。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之间的温度差。 正的温度梯度（正的温度梯度（G G0 0）：形成平面晶）：形成平面晶51负的温度梯度（负的温度梯度（G G0 0）形成

26、树枝晶形成树枝晶52固溶体合金的结晶形态固溶体合金的结晶形态“成分过冷成分过冷”（Constitutional Undercooling）：由）：由于液固界面处溶质成分起伏而造成的过冷。于液固界面处溶质成分起伏而造成的过冷。溶质局部浓集溶质局部浓集0001kDkCmRGLLL“成分过冷成分过冷”判据判据53（1 1）平面结晶）平面结晶产生条件：产生条件：G0，且，且G很大，无成分过冷很大，无成分过冷特征：平面晶特征：平面晶 54（2 2）胞状晶）胞状晶条件：有较小的成分过冷条件：有较小的成分过冷特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。55（3 3）胞状树枝晶）胞状树枝晶

27、产生条件：过冷度稍大。产生条件：过冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面胞状。晶断面胞状。56（4 4）树枝晶）树枝晶产生条件：过冷度较大。产生条件：过冷度较大。特征：主枝长，主枝向四周伸出二、三次横枝，特征：主枝长，主枝向四周伸出二、三次横枝，并能得到很好的生长。并能得到很好的生长。57582. 2. 等轴晶等轴晶产生条件：很小，成分过冷度大。产生条件：很小，成分过冷度大。特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。59成分过冷

28、与合金中溶质成分过冷与合金中溶质的浓度的浓度C0，结晶速度，结晶速度R以以及温度梯度有关。及温度梯度有关。当当G、R一定时，一定时， C0成分过冷成分过冷当当C0一定时，一定时，R成成分过冷分过冷当当C0 ，R一定时，一定时，G成分过冷成分过冷0001kDkCmRGLLL603. 3. 焊缝各部位结晶形态的变化焊缝各部位结晶形态的变化熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。61实际焊缝凝固金属

29、的组织形态实际焊缝凝固金属的组织形态实际焊缝凝固金属的各种实际焊缝凝固金属的各种形态不一定具有上述全部形态不一定具有上述全部结晶形态，一般来说由柱结晶形态，一般来说由柱状晶和少量等轴晶构成。状晶和少量等轴晶构成。 柱状晶柱状晶+ +少量等轴晶少量等轴晶 柱状晶内：平面晶、胞柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶状晶、树枝状晶 等轴晶内：树枝晶等轴晶内：树枝晶62 焊条电弧焊接凝固组织焊条电弧焊接凝固组织Q235、14MnMoNbB钢钢63 埋弧焊接凝固组织埋弧焊接凝固组织Q235A钢钢64 电阻点焊焊核凝固组织电阻点焊焊核凝固组织GH140铁基高温合金钢铁基高温合金钢65 钨极氩弧焊接凝固组织钨极

30、氩弧焊接凝固组织纯度为纯度为99.99%的铝焊缝的铝焊缝-a）纯度为纯度为99.6%的铝焊缝的铝焊缝-b）、）、c）66焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响焊接速度的影响焊接速度的影响 VG成分过冷区成分过冷区等轴晶等轴晶胞状树枝晶胞状树枝晶67焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响焊接工艺参数对焊缝结晶形态的影响粗胞状粗胞状树枝晶树枝晶胞状晶胞状晶胞状树枝晶胞状树枝晶68（四）改善焊缝金属一次结晶形态的措施（四）改善焊缝金属一次结晶形态的措施1. 调节焊接工艺参数调节焊接工艺参数 焊接工艺参数：焊接电流焊接工艺参数：焊接电流I、电弧电压、电弧电压U、焊接、焊接速度速度V

31、、预热温度、预热温度T、送丝速度、送丝速度Vs等。等。 目的：控制母材半熔化区晶粒大小，熔池的温目的：控制母材半熔化区晶粒大小，熔池的温度梯度、冷却速度和几何尺寸，最终控制晶粒度梯度、冷却速度和几何尺寸，最终控制晶粒尺寸和成长方向。尺寸和成长方向。 在不预热的情况下，一般提高焊接速度，降低在不预热的情况下，一般提高焊接速度，降低热输入，可以达到细化热输入，可以达到细化18-8镍铬不锈钢和低合镍铬不锈钢和低合金钢焊缝金属凝固组织的目的，在消除镍基合金钢焊缝金属凝固组织的目的，在消除镍基合金微裂纹中起重要作用。金微裂纹中起重要作用。692. 变质剂处理变质剂处理 通过焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）加

32、入通过焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）加入 变质剂：变质剂：Ti、B、Ce、Zr等元素等元素 目的：作为表面活性物质促进形核，阻止微小目的：作为表面活性物质促进形核，阻止微小晶粒的生长和聚集，达到细化晶粒的目的。晶粒的生长和聚集，达到细化晶粒的目的。 加入量在加入量在0.030.5%。 由于焊缝金属的外延生长，变质处理的效果不由于焊缝金属的外延生长，变质处理的效果不太显著。太显著。703. 3. 熔池搅拌效应熔池搅拌效应 搅拌熔池的方法：机械振荡、超声波振荡和电磁搅拌熔池的方法：机械振荡、超声波振荡和电磁搅拌等。搅拌等。 目的：破坏正在成长的晶粒从而获得细晶组织。目的：破坏正在成长的晶粒从而获得细

33、晶组织。 目前，实际应用于铝合金的焊接，利用强磁场搅目前，实际应用于铝合金的焊接，利用强磁场搅拌，改善凝固组织。拌，改善凝固组织。714. 4. 高能束扫描高能束扫描 电子束焊接电子束焊接 细化原理：利用高能束周期性横向扫动，以一细化原理：利用高能束周期性横向扫动，以一定距离熔切生长的晶粒，实现晶粒细化。定距离熔切生长的晶粒，实现晶粒细化。 铝合金焊缝晶粒的细化。铝合金焊缝晶粒的细化。72二、焊缝金属的组织二、焊缝金属的组织（一）（一） 低碳钢焊缝的低碳钢焊缝的固态相变组织固态相变组织以铁素体（以铁素体（F）（白）（白色）为主，加上少量色）为主，加上少量的珠光体（的珠光体（P）。）。焊缝过热度

34、越大，可焊缝过热度越大，可促使魏氏组织形成。促使魏氏组织形成。魏魏氏氏组组织织固态相变（二次结晶组织）固态相变（二次结晶组织）73Q23574（二）低合金钢焊缝的固态相变组织（二）低合金钢焊缝的固态相变组织1. 铁素体（铁素体（Firrite，F）（1）先共析铁素体（）先共析铁素体（Pro-eutectoid Ferrite， PF）v温度：温度：770-680 ；v位置：沿奥氏体晶界位置：沿奥氏体晶界,又称为粒界铁素体（又称为粒界铁素体（Grain Boundary Ferrite, GBF)v形态：长条形或多边形块状形态：长条形或多边形块状v性能特点：使韧性下降（低屈服点）性能特点：使韧性

35、下降（低屈服点）条状条状块状块状75x7076（2）侧板条铁素体（）侧板条铁素体（Ferrite Side Plate， FSP）v温度：温度：700-550 v位置：从晶界铁素体侧面向晶内生长位置：从晶界铁素体侧面向晶内生长v形状：板条状，形态如镐牙状形状：板条状，形态如镐牙状v性能特点：使韧性下降性能特点：使韧性下降777879（3）针状铁素体（）针状铁素体（Acicular Ferrite ，AF）v温度：温度：500 ；v位置：在奥氏体晶粒内部位置：在奥氏体晶粒内部v形态：针状形态：针状v条件：中等冷却速度条件：中等冷却速度v性能特点：韧性好性能特点：韧性好80（4）细晶铁素体（）细晶

36、铁素体（Fine Grain Ferrite ，FGF）v温度：温度：500 以下以下v位置：在奥氏体晶粒内部位置：在奥氏体晶粒内部v形状：细晶状形状：细晶状v条件：存在细化晶粒的元条件：存在细化晶粒的元素（素（Ti，B等）等）v性能特点：韧性好性能特点：韧性好晶内白色块状为晶内白色块状为FGF81x70822. 珠光体（珠光体（Pearite，P）珠光体转变属于扩散型相变，需要珠光体转变属于扩散型相变，需要Fe和和C原子原子相当大的扩散迁移运动。它是接近平衡下的组相当大的扩散迁移运动。它是接近平衡下的组织，焊接条件织，焊接条件(非平衡非平衡)下下,得到的得到的P量很少。量很少。只有在较高温度

37、（只有在较高温度（Ar1550）和较慢的冷却）和较慢的冷却速度下才能进行。速度下才能进行。83843. 贝氏体（贝氏体（Bainite，B）中温转变，中温转变， 550 Ms（1）上贝氏体）上贝氏体 (Upper Bainite， Bu)v温度：温度：550-450 ；v位置：沿奥氏体晶界析出位置：沿奥氏体晶界析出v形态：呈羽毛状，平行的条状形态：呈羽毛状，平行的条状铁素体之间分布有渗碳体铁素体之间分布有渗碳体v性能特点：韧性较差（小条状性能特点：韧性较差（小条状Fe3C分割了基体的连续性）分割了基体的连续性）85（2）下贝氏体）下贝氏体 （Lower Bainite ，BL）v温度：温度：4

38、50 -Msv形态：针状铁素体和形态：针状铁素体和针状渗碳体的机械混针状渗碳体的机械混合物合物v性能特点：强度和韧性能特点：强度和韧性都较好性都较好86（3）粒状贝氏体）粒状贝氏体 (Grain Bainite， BG) MA组元（组元（Constitution M-A) 在块状铁素体形成之后，待转变的富碳奥氏体呈岛状分布在块状铁素体形成之后，待转变的富碳奥氏体呈岛状分布在块状铁素体之中，在一定的合金成分和冷却速度下，这在块状铁素体之中，在一定的合金成分和冷却速度下，这些富碳的奥氏体岛可转变为富碳马氏体和残余奥氏体。富些富碳的奥氏体岛可转变为富碳马氏体和残余奥氏体。富碳马氏体和残余奥氏体碳马氏

39、体和残余奥氏体,硬度高。硬度高。 在块状铁素体上的在块状铁素体上的组元以粒状分布时，即为组元以粒状分布时，即为“粒状粒状贝氏体贝氏体”。87X70粗晶粗晶区粒状区粒状B88X70模拟模拟粗晶区组粗晶区组织织894. 马氏体（马氏体（Martensite，M） 当焊缝中含量较高或合金元素含量较多时，在快冷条当焊缝中含量较高或合金元素含量较多时，在快冷条件下，冷却到件下，冷却到s以下，将发生马氏体转变。以下，将发生马氏体转变。（1）板条马氏体（）板条马氏体（Lath Martensite）、低碳马氏体、位）、低碳马氏体、位错型马氏体错型马氏体 v低碳低合金钢低碳低合金钢v奥氏体内部奥氏体内部v细条

40、状细条状v综合性能指标在马氏体中最好综合性能指标在马氏体中最好90（2）片状马氏体（）片状马氏体（Plate Martensite）、高碳马氏体、孪）、高碳马氏体、孪晶马氏体晶马氏体 v焊缝中含碳量大于焊缝中含碳量大于0.4%v粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部v硬度高而脆硬度高而脆91（三）焊缝金属连续冷却组织转变图（三）焊缝金属连续冷却组织转变图（WMCCT图）图） WM-CCT图对于预测焊缝的组织及调节焊图对于预测焊缝的组织及调节焊缝的性能具有重要意义。缝的性能具有重要意义。92三、焊缝金属性能的控制三、焊缝金属性能的控制影响焊缝性能的因素影响焊缝性能的因素结晶形态

41、与组织的影响结晶形态与组织的影响化学成分的影响化学成分的影响焊接缺陷的影响焊接缺陷的影响939495固溶强化加入碳、锰、硅、铬、镍、钼等，均有固溶强化的作用。细晶强化加入钛、铌、硼、铝、铬、镍、稀土等，可细化晶粒，提高强度。沉淀强化加入碳、氮化物形成元素。相变强化加入合金元素，改变相变组织。（一）焊缝合金化与变质处理（一）焊缝合金化与变质处理961. 1. 优化合金成分优化合金成分（1 1）严格限制有害的杂质元素：）严格限制有害的杂质元素：S S、P P、N N、O O和和H H；（2 2）通过合金元素来提高焊缝韧性）通过合金元素来提高焊缝韧性 促使高熔点第二相质点的析出，通过钉扎作用阻止促使

42、高熔点第二相质点的析出，通过钉扎作用阻止奥氏体晶粒长大；奥氏体晶粒长大； 降低奥氏体分解温度，减少边界铁素体的形成；降低奥氏体分解温度，减少边界铁素体的形成； 在奥氏体内形成铁素体形核核心，促使奥氏体在在奥氏体内形成铁素体形核核心，促使奥氏体在500-550500-550温度区间分解得到针状铁素体，防止在奥氏温度区间分解得到针状铁素体，防止在奥氏体晶界形成侧板条铁素体；体晶界形成侧板条铁素体； 防止防止M-AM-A组元的形成；组元的形成； 防止或减少低温产物马氏体、上贝氏体的形成；防止或减少低温产物马氏体、上贝氏体的形成；（二）焊缝金属韧化的途径（二）焊缝金属韧化的途径97（3）配置多种微量合

43、金元素，则可能）配置多种微量合金元素，则可能在大幅度地提高焊缝金属的强度的在大幅度地提高焊缝金属的强度的同时提高韧性和抗裂性。同时提高韧性和抗裂性。Mn和和Si最为常用的强化焊缝的元素最为常用的强化焊缝的元素例如低合金钢（例如低合金钢（C:0.10-0.13%）埋弧焊时，埋弧焊时，Mn、Si分别处于分别处于0.81.0%和和0.10.25%时，可以得时，可以得到细晶铁素体和针状铁素体，具到细晶铁素体和针状铁素体，具有较好的韧性。有较好的韧性。Mn和和Si对低合金钢焊缝韧性的影响对低合金钢焊缝韧性的影响98在在Mn-Si系基础上复合添加系基础上复合添加Ti和和B等微量元素等微量元素B在高温下易向

44、奥氏体晶界扩散，在晶界沉在高温下易向奥氏体晶界扩散，在晶界沉淀聚集而降低晶界扩散，使晶界奥氏体的淀聚集而降低晶界扩散，使晶界奥氏体的稳定性增大，抑制了稳定性增大，抑制了PF和和FSP的形核与生的形核与生长，从而使长，从而使转变开始温度向低温方向转变开始温度向低温方向移动。移动。Ti与氧的亲和力很大，焊缝中的与氧的亲和力很大，焊缝中的Ti以微小颗以微小颗粒可以作为粒可以作为“钉子钉子”位于晶粒边界，阻碍位于晶粒边界，阻碍奥氏体晶粒的长大。奥氏体晶粒的长大。99 Mo降低奥氏体分解温度，抑制边界铁素体形成，加入少量的Mo不仅可以提高强度，同时也能改善韧性。 Nb和V焊缝金属中可固溶，推迟奥氏体向铁

45、素体的转变，能够抑制焊缝中先共析铁素体的产生，而激发形成细小的AF组织。所形成的氮化物使强度大大提高，而使韧性下降。通过正火处理可改善韧性。 稀土元素Y，CeTe，Se：促进组织细化，提高韧性1002. 调整焊接工艺参数调整焊接工艺参数 （1）焊接热输入）焊接热输入 过大的热输入使结晶时产生粗大的柱状晶，同时，由于降过大的热输入使结晶时产生粗大的柱状晶，同时，由于降低了冷却速度，可能得到较多的边界铁素体；低了冷却速度，可能得到较多的边界铁素体； 过小的热输入，则在较高合金成分焊缝形成马氏体，也会过小的热输入，则在较高合金成分焊缝形成马氏体，也会使焊缝韧性下降。使焊缝韧性下降。（2）多层焊）多层

46、焊（3）焊后热处理）焊后热处理（4）振动结晶）振动结晶101第三节第三节 焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能 焊接热循环焊接热循环 焊接热影响区的组织转变特点焊接热影响区的组织转变特点 焊接热影响区的组织与性能变化焊接热影响区的组织与性能变化102 焊接热影响区的定义：熔焊时在焊接热源的作用下，焊接热影响区的定义：熔焊时在焊接热源的作用下，焊缝周围的母材发生组织和性能变化的区域称为焊缝周围的母材发生组织和性能变化的区域称为“热影响区热影响区”(Heat Affected Zone，HAZ)，或称为，或称为“近缝区近缝区”(Near Weld Zone)。103 材料因受焊接热影响

47、（但未熔化）而发生金相组材料因受焊接热影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。织和力学性能变化的区域。104一、焊接热循环一、焊接热循环距焊缝不同距离各点的焊接热循环距焊缝不同距离各点的焊接热循环1. 定义：焊接过程定义：焊接过程中，热源沿焊件移中，热源沿焊件移动时，焊件上动时，焊件上某点某点的温度由低而高，的温度由低而高，达到最大值后，又达到最大值后，又由高而低的变化称由高而低的变化称为焊接热循环。为焊接热循环。1051062. 2. 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数焊接热循环的参数焊接热循环的参数v 加热速度加热速度VHv 加热的最高温度（加热的最高温度（Tm）v 在相

48、变以上的停留时间在相变以上的停留时间(tH)v 冷却速度冷却速度(VC)和冷却时间和冷却时间(t8/5、t8/3、t100)107 t8/5：800500的冷却时间。的冷却时间。 t8/3：800300的冷却时间。的冷却时间。 t100：从峰值温度：从峰值温度Tm冷至冷至100的冷却时间。的冷却时间。1081. 1. 焊接热循环的特点焊接热循环的特点1）加热的温度高）加热的温度高 热处理热处理AC3以上以上100-200，例如，例如45号钢号钢AC3：770 焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点1350 2）加热的速度快）加热的速度快比热处理快几十倍甚至上百倍。比热处理

49、快几十倍甚至上百倍。3）高温停留时间短）高温停留时间短手工电弧焊：手工电弧焊：4-20S，埋弧焊：，埋弧焊：20-40S4）局部加热）局部加热二、焊接热热影响区的组织转变特点二、焊接热热影响区的组织转变特点109加热速度快，相变温度升高加热速度快，相变温度升高 VHAc1， Ac3 奥氏体化过程是一个扩散重奥氏体化过程是一个扩散重结晶过程，需要有孕育期。结晶过程，需要有孕育期。 钢中含有碳化物形成元素时钢中含有碳化物形成元素时影响更显著。影响更显著。形成的碳化物阻碍碳的形成的碳化物阻碍碳的扩散扩散碳化物本身扩散速度低碳化物本身扩散速度低2. 2. 焊接加热过程奥氏体化的特点焊接加热过程奥氏体化

50、的特点110奥氏体均质化程度低奥氏体均质化程度低高温停留时间短，不利于扩散过程进行，从高温停留时间短，不利于扩散过程进行，从而均质化程度低。而均质化程度低。近缝区奥氏体晶粒严重长大近缝区奥氏体晶粒严重长大当加热温度在当加热温度在1100以上时，奥氏体晶粒严以上时，奥氏体晶粒严重长大。重长大。加热过程形成的奥氏体晶粒度和均匀化程度，加热过程形成的奥氏体晶粒度和均匀化程度，对冷却时的相变过程和相变产物有很大影响。对冷却时的相变过程和相变产物有很大影响。1113. 3. 焊接时冷却过程中的组织转变特点焊接时冷却过程中的组织转变特点（1 1）奥氏体化温度高，加热与冷却速度快）奥氏体化温度高，加热与冷却

51、速度快SH-CCTSH-CCT图图（2 2）奥氏体的稳定性越大，淬硬倾向越大）奥氏体的稳定性越大，淬硬倾向越大不含碳化物合金元素（如不含碳化物合金元素（如4545钢）：淬硬倾向比钢）：淬硬倾向比热处理条件下要大热处理条件下要大含碳化物合金元素（如含碳化物合金元素（如40Cr40Cr钢）：淬硬倾向比钢）：淬硬倾向比热处理条件下要小热处理条件下要小112三、焊接热影响区的组织与性能变化三、焊接热影响区的组织与性能变化（一）焊接热影响区的组织分布（一）焊接热影响区的组织分布1. 低碳钢及不易淬火低碳钢及不易淬火的低合金钢的低合金钢HAZ组织分布组织分布如如Q235、16Mn、15MnV、等，可、等，

52、可分为如下四个区：分为如下四个区： 熔合区（半熔化区）熔合区（半熔化区）TLTS，化学成分与组织不均，化学成分与组织不均匀分布，过热严重，塑性差，匀分布，过热严重，塑性差，对焊接接头的强度、韧性都有对焊接接头的强度、韧性都有很大的影响。是焊接接头的薄很大的影响。是焊接接头的薄弱环节。弱环节。113 过热区过热区（粗晶区）（粗晶区）v温度：温度： TS - 1100 v现象：加热温度高，在固相线附近，现象：加热温度高，在固相线附近，一些难熔质点如碳化物和氮化物等溶一些难熔质点如碳化物和氮化物等溶入奥氏体，奥氏体晶粒粗大。入奥氏体，奥氏体晶粒粗大。v组织：粗大的奥氏体在较慢的冷却速组织：粗大的奥氏

53、体在较慢的冷却速度下形成过热组织度下形成过热组织魏氏组织。魏氏组织。v性能：韧性很低。性能：韧性很低。v措施：严重时采用焊后正火处理（如措施：严重时采用焊后正火处理（如电渣焊）。电渣焊）。114 相变重结晶区相变重结晶区（正火区）（正火区）v温度：温度： 1100 - Ac3 v现象：母材完全奥氏体化，加热现象：母材完全奥氏体化，加热和冷却过程中经受了两次重结晶和冷却过程中经受了两次重结晶相变，使晶粒得到显著的细化。相变，使晶粒得到显著的细化。v组织：相当于低碳钢正火处理后组织：相当于低碳钢正火处理后的组织（细小的的组织（细小的PF）。）。v性能：较好的综合性能。性能：较好的综合性能。115

54、不完全重结晶区不完全重结晶区（不完全正（不完全正火区）火区）v温度：温度： Ac3 Ac1v现象：加热温度现象：加热温度Ac3到到Ac1之之间，只有部分金属经受了重间，只有部分金属经受了重结晶相变。结晶相变。v组织：原始的铁素体晶粒（组织：原始的铁素体晶粒（粗大）和细晶粒的混合区。粗大）和细晶粒的混合区。v性能：性能不好性能：性能不好116Q235A钢焊接热影响区的组织特点钢焊接热影响区的组织特点过热区过热区重结晶区重结晶区不完全重结不完全重结晶区晶区母材母材1172. 2. 易淬火钢易淬火钢HAZHAZ组织分布组织分布（1）焊前是正火或退火状态）焊前是正火或退火状态 焊前焊前BM为为F+P（

55、S、B）完全淬火区（完全奥氏体化）完全淬火区（完全奥氏体化）Ac3 以上，室温组织为以上，室温组织为M。不完全淬火区（部分奥氏体化）不完全淬火区（部分奥氏体化）Ac1 Ac3，室温组织为，室温组织为MF。在快速加热条件下在快速加热条件下F很少溶入很少溶入A，而而P、B、S等转变为等转变为A；随后快；随后快冷，形成冷，形成M+粗大粗大F。焊接淬硬倾向较大的钢种，如焊接淬硬倾向较大的钢种，如18MnMoNb、45、30CrMnSi等，热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。等，热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。118（2）焊前为调质状态）焊前为调质状态 BM回火组织回火组织完全淬

56、火区完全淬火区不完全淬火区不完全淬火区回火区回火区Ac1Tt，Tt为焊为焊前调质时的回火温前调质时的回火温度，低于此温度，度，低于此温度，组织不变；高于此组织不变；高于此温度，出现软化。温度，出现软化。119（二）焊接热影响区的性能变化（二）焊接热影响区的性能变化HAZHAZ的硬化的硬化HAZHAZ的脆化的脆化HAZHAZ的软化的软化1201. HAZ的硬化的硬化 HAZ硬度分布不均匀，在硬度分布不均匀，在熔合区附近具有最大硬度熔合区附近具有最大硬度Hmax。 不同的组织形态硬度不同不同的组织形态硬度不同 同一组织，也有不同的硬同一组织，也有不同的硬度度 硬度主要决定于材料的硬度主要决定于材料

57、的化化学成分学成分和和冷却条件冷却条件121（1）碳当量）碳当量Carbon Equivalent （Ceq或或CE）定义：把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包定义：把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响折合成碳的相当含量。括冷裂、脆化等）的影响折合成碳的相当含量。它反映了化学成分对硬化程度的影响它反映了化学成分对硬化程度的影响122()6155IIWMnCuNiCrMo VCEC 适合于适合于C0.18%C0.18%的钢种的钢种 式式1 1）主要适用于中等强度的非调质低合金钢（）主要适用于中等强度的非调质低合金钢（ b b400400700MPa700MPa） 式式2

58、 2）主要适用于强度级别较高的低合金高强钢（）主要适用于强度级别较高的低合金高强钢（ b b=500=5001000MPa1000MPa）()624405414eq WESMnSiNiCrMoVCC1）2）12353020601510cmSiMnCuCrNiMoVPCB 主要适用于主要适用于C0.17%C0.17%， b b=400=400900MPa900MPa的低合金高强钢。的低合金高强钢。 应用用碳当量公式时应注意：应用用碳当量公式时应注意：碳当量公式纯属经验公式，当实验条件、方法不同时，碳当量公式纯属经验公式，当实验条件、方法不同时，碳当量公式也不同。碳当量公式也不同。一定要注意各公式

59、的适应范围。一定要注意各公式的适应范围。124（2）碳当量）碳当量Ceq及冷却时间及冷却时间t8/5与与HAZ最高硬度最高硬度Hmax的关系的关系 CeqHmax 经验公式，经验公式，Hmax=1274Pcm+45 Hmax=559CE（IIW）+100（HV）125 Ceq一定，一定， t8/5 Hmax。 Hmax间接反映了间接反映了HAZ的淬硬倾向，而的淬硬倾向，而Hmax测量方便，故可用测量方便，故可用Hmax来评价钢材的冷来评价钢材的冷裂倾向裂倾向1262. HAZ的脆化的脆化脆化：是指脆化：是指HAZ在焊接热循环作用下所产生的在焊接热循环作用下所产生的塑性、韧性下降的现象。通常用缺口冲击值